[发明专利]一种测量流体界面性质的传感器

说明书

本发明公开了一种测量流体界面性质的传感器，利用反射式光散射法原理，非接触地测量各种流体界面热物理性质。提供了三种适用于不同情况下的传感器，三种光学传感器构建方案在实施时对于探测光和参考光偏振状态和光强度的控制方法相同，但在几何构建方面有所差异，方案一和方案三偏向于小尺寸的传感器设计。方案二偏向于高温应用的传感器设计。本发明所设计三种方案可根据不同测试需求和条件选择，为流体界面热物理性质提供高速、准确和非接触性的测量。

技术领域

本发明涉及流体黏度和表面传感器，尤其涉及利用反射式光散射法测量流体界面性质的传感器，属于流体热物理性质测量和表面科学领域。

背景技术

流体的界面性质，如表/界面张力和黏度是流体重要的热物性性质，其中表/界面张力表征了流体分子由液相向气相迁移过程所需克服的功的大小，因此无论从宏观还是微观上讲，在流体界面上的流动、扩散、传热等物理现象均与界面性质相关。

常见的表/界面张力测量方法包括：毛细上升法、滴外形法、吊环/片法、Wilhelmy板法、滴重法、最大气泡法、表面波法和表面光散射法等。黏度测量方法较多，文献中常见的方法有：落体法、毛细管法、振动盘法、振动弦法、扭转晶体法和表面光散射法等。这些测量方法中表面光散射法同时可以测量出所有界面性质，且具有准确性高、绝对测量和非接触等优势，尤其对于界面体系此方法无浸润性要求，而其他的表/界面性质测量方法或多或少依赖于浸润性假设。

发明内容

本发明旨在提供一种测量流体界面性质的传感器，利用反射式光散射法进行测量，提供了反射式流体表面光学热物性传感器的实现方法，可以用来非接触地测量各种流体界面热物理性质，为实验室科学研究和工业上相关界面性质测试提供高精度及快速测量。

本发明原理：表面光散射法包含透射式和反射式两种，其中后者还可以测量非透明流体，也正是本发明的核心内容。

本发明提供了一种测量流体界面性质的传感器，利用反射式光散射法原理，非接触地测量各种流体界面热物理性质。

具体地说，上述传感器包括以下具体实施方案中的任一种：

方案一：所述的测量流体界面性质的传感器，包括两个零级1/2玻片、三个偏振分光棱镜、五个反射镜、一个零级1/4玻片、三个光挡、一个线性滤光片、一个合束镜、一个光阑；

探测光和参考光分别从两侧进入传感器中，通过零级1/2玻片和偏振分光棱镜调整两束光的偏振态和光强度，参考光经线性滤光片进一步衰减；反射镜安装在一个沿垂直于纸面方向转动的高精度转台上，转台安装在沿垂直于纸面方向移动的一维位移台上，使得反射镜可以转动又可以平动，以便灵活地在垂直与流体界面方向的小角度范围（0.3°-4°）之内设定入射角，角度的设置精度要求为0.005°。通过偏振分光棱镜（7）将水平偏振状态的入射光反射至流体液面，在偏振分光棱镜和流体液面之间放置零级1/4玻片，目的是将水平偏振激光调整为圆偏振，使圆偏振的散射光信号经液面反射之后改变偏振的方向，通过零级1/4玻片后将偏振状态调整为垂直偏振，进而在偏振分光棱镜处实现99%的透射；散射光在合束镜处与参考光叠加混频，参考光的偏振状态由零级1/2玻片和偏振分光棱镜组合调整，由线性滤光片进一步衰减；混频以后的信号光经由光阑进入探测器。

进一步地，参考光的衰减范围为0~10^-4。